1引言 利用磁性材料的许多功能特性而研制出的磁性元器件，与电子设备早已形成了密不可分的关系。只要我们稍作考察就不难发现，各类电子整机系统从天线、馈线到发射接收设备，以及电子仪器，电力设备中都有它们的应用，无论是在微波、毫米波、中频、低频还是终端设备、控制装置中，磁性材料及其元器件（以下统称磁性产品），都是不可缺少的组成部分。 随着当代科技的迅速发展，磁性产品及其磁性理论（以下统称磁性科技）不断创新，尤其近年来出现了许多值得关注的前沿态势，从而推动了它在国民经济，国防建设诸领域中的广泛应用。历史和实践表明，磁性产品在现代电子技术中占有重要地位，并进入了微电子、光电子、微波电子、通信及计算机等高科技重点应用领域，起着其他电子元器件不可替代的作用，近年来还出现了一门新型交叉学科——磁电子学。在此，研讨高新磁性科技的发展，展望未来具有重要的现实意义。 2当代磁性科技前沿 2.1对传统磁性理论的挑战 磁学是研究物质磁性的一门学科，属物理学的范畴，凝聚态物理的一个分支。然而在新近的发展过程中却遇到了新的挑战，以下列举两个例证。 2.1.1磁电子学的兴起 磁学一出现就具有很强的实用性，所以它的发展是同物理学、固体化学、电子学密切结合而向前迈进的。上世纪初物理学的两大基础——量子论和相对论的建立，使铁磁理论从唯象进到了微观，也为真空电子学发展到固体电子学奠定了基础。 众所周知，磁学是研究具有交换作用的电子自旋系统的合作磁性行为，而电了学是研究带有正或负电荷的载流子系统的电行为的。可是近年来，纳米科学技术和介观物理学的发展出现了一些需要磁学和电子学联合作用才能解释的新现象、新原理和新器件，如1988年发现的比各向异性磁电阻（AMR）效应的电阻变化大得多的巨磁电阻（GMR）效应，前者的电阻变化（△R/R）值为1%~2%，后者高达60%；1993年又在类钙钛石型结构的稀土锰氧化物中观测到了庞磁电阻（Colossal magnetoresistance，CMR）效应，其电阻变化又比GMR大，其△R/R值可达103~106；新近发现的隧道结巨磁电阻（tunneling magnetoresistance，简称TMR）效应，已引起世界各国的极大关注。IBM和富士公司已研制出△R/R为22%和24%的TMR材料，它们不但涉及磁学和电子学，而且将在小型化和微型化高密度磁记录读出头、随机存取存储器和传感器中获得重要应用。又如纳米磁粉、磁膜的介观磁性都涉及到复杂的动力学、磁有序系统的电子微结构理论计算、微磁显微与模型。 所以磁电子学的产生是以GMR、CMR和TMR效应的发现及材料研究和应用为基础的。我国的磁电子学方面的多层膜、颗料膜、类钙钛矿型氧化物的GMR和磁光效应，层间耦合研究上取得了进展，在高密度记录、磁学信息存储，汽车，数控机床、自动控制系统中有着十分广泛而重要的应用，是一类高新技术的基础，国外正由基础研究向应用、开发和产业化方向发展。 微电子、光电子、光电子学都是利用了电子导电的群体行为，而电子所具有的自旋却未得到发挥。采用自旋结技术的双极自旋晶体管就是采用一种由铁磁性——非磁性——铁磁性金属（F1-N-F2）三层几何结构的厚膜技术（图1），其结果就是一个具有依赖于F1和F2磁化方向的双极电压（或电流）输出的三端电流偏置器件，它是一种在非磁性层中自旋极化电子以有效塞曼能描述的热力学力驱动的有源器件。这种新型磁性晶体管显示出了许多独特的优越性能，如作成边长为100nm的芯片，其集成度为硅器件的100倍、GaAs的10~100倍;功耗可低至0.5μW；开关时间接近1nS；温度稳定性高；它可以有效地进行电流放大，应用到非易失性RAM、逻辑、LSI等装置上作为新型计算机和信息系统的重要组成部分。 2.1.2分子磁性理论的建立 1985年美国犹他州立大学的化学家米勒和美国俄亥俄州立大学的物理学家艾普森等人同时发现了一种非金属磁性的物质并称作“分子磁性物质”，其作用机理与金属磁有很大的不同，而且有些分子磁物质根本就没有金属原子，它具有重量轻、韧性好的特性，有的看起来透明或像塑料一样，其磁性可以通过化学反应或光来控制(金属磁是通过电来控制的)。但分子磁物质只能在低温下保持磁性，然而在1996年1月东京大学的学者发现一种有机染料普鲁士兰却可以在负3℃下保持磁性，该磁性可通过化学反应来开关。1995年我国四川师范大学林展如教授用化学方法合成了一种新型高分子磁性化合物——金属高分子磁性材料，其磁导率(μ)几乎与频率无关，比重极轻。 目前科学家们正在积极探求用电来控制分子磁性物质特性的方法，一旦成功必将给计算机、电子学、医学等众多行业带来巨大变革。 有机铁磁体的出现，扩展了磁性材料的视野，打破了传统的无机物所专有的金属的传导性、超导性和铁磁性这三大电磁特性，是对传统的磁性起源、交换作用等磁学基本理论的挑战：通常，磁性是由未满电子壳层的3d和4f金属、合金及其化合物所具有，而c、H、O、N等有机元素则是S或P电子的闭壳层，常呈现抗磁性。要使有机物质具有磁性必须引入未配对的顺磁中心(如各种过渡金属离子、有机自由基、极化子等具有自旋的准粒子及其组合等)并以某种方式来引入顺磁中心间的相互作用使得顺磁中心自旋趋于一致。实践证明已获得的有机磁体可分为分子晶体、聚合物、电荷转移复合物和金属有机络合物四大类。但它们只在低温下有磁性，没有实用价值。Miller和Epstein现已开发出由非磁钒外包裹有机分子四氢乙烯(即TCNE)，在75℃下都保持磁性的有机磁体。法国制成的普鲁士兰化合物在42℃时将其粘到其他磁体上(该化合物是有机团包围的钒和铬原子)，因它们的原子是呈刚性晶板排列，增强了电子间的相互作用使其自旋取向一致。在室温下起作用的有机磁能弯曲，可作高密度磁性数据存储，改进人造心脏中的磁性阀。 新近日本大阪府立大学杉本教授等用含氟原子的苯醌衍生物(TcNQF4)及其与原子团阴离子的络合物，在室温25℃下合成了C、H、N和F组成的纯有机化合物。 有机磁的出现揭示出了许多生物之谜。 2.1.3磁宏观量子效应(QTM) 所谓磁宏观量子效应是指原子内的许多磁性电子(指3d和4f壳层中的电子)以隧道效应方式穿透能垒导致磁化强度的变化，特别在极低温度(<10K)下发生经典到量子的转变。 QTM理论研究直到1991～1992年Barcelona大学的Tejada实验组和IBM的Awschalom小组在实验上观察到了磁矩的量子隧道效应，标志着QTM研究正在进入凝聚态物理研究的最前沿。一般讲QTM有三种情形：(1)磁性单畴粒子或磁性粒子簇的M。的量子隧道效应；(2)反磁化过程中的量子成核，尤其适于铁磁性薄膜中；(3)磁畴壁的量子相关行为或磁性孤粒子。 QTM的最直接应用在于量子器件，比如SQUID的约瑟夫森结，因此QTM在量子测量上有着广泛的应用前景，在基础理论研究和实验技术上也具有巨大潜力。 QTM的前景在于未来信息的存储，图2给出1950年以来存储1bit信息所使用的技术和所需要的原子数。存储lbit所需的原子数，从1019个(1950年)下降到109个(1990年)，到2010年只需103个(相当于半径1nm的颗粒)。由于元件减少，热干扰增加，因此只能在低温下工作，若温度为几K时则可在半径lnm元件内存储30年不变。所以用QTM可界定微电子元件的尺寸，使存储密度大大提高。美国明尼苏大学stephe等提出了65Gb/in2量子磁盘的构想，比目前最高的磁存储密度大两个数量级以上。 2.2学科合作与交叉加深 当代科学发展的特征之一是学科间的大合作与大交叉。天、地、生、人综合研究，蕴含着无穷的创造力；地球一宇宙，有机一无机，人与环境，自然科学一人文社会科学，基础研究一应用研究，传统文化一现代文化，中华民族文化一世界文化，这种跨越古今中外、多学科间的合作与大交叉将促进科学观念的创新和方法的变革，推动科学化的整体进程。磁学作为科学系统中的一员，也呈现出与其他学科间的合作与交叉性。 2.2.1交叉磁学加深 人类很早就发现并应用磁现象和磁性物质，研究并应用磁性的科学一磁学已有2000余年的历史，依其发展可分为古代磁学、近代磁学和现代磁学。人们对磁现象的本质的认识也逐渐加深，也有力地促进了科学技术的发展。例如现代磁学的研究和应用领域的扩大及学科间的相互渗透与合作，开拓了诸如铁磁——铁电材料，铁磁——透明材料。磁有序——超导材料，铁磁——铁弹材料，磁有序——有机体等复合功能材料，开辟并扩大了诸如生物磁学、磁化学、岩石磁学、天体磁学、原子核磁学、基本粒子磁学等边缘磁学新领域。使得古老磁学焕发出了青春，至此使它越出了物理学、化学的范畴，形成了功率磁学、计算磁学、微波磁学、传感磁学、分子生物磁学、微磁学(Micromagnetics)，微磁器件(Micromagnetic devices)、电磁环境学(EMC)，并与半导体技术、空间技术、光电子技术、医疗电子技术和核技术等紧密联系在一起，大大地拓宽了它的应用领域。图3是开发磁性材料各学科间结合之示意图。 2.2.2 NMR与分子生物学 用核磁共振(NMR)技术确定生物分子在液体中的三维空间结构则构成了近代分子生物学的一个重要内容。这项技术是学科交叉又联合攻关的典型产物。物理学家提出的基本原理，由物理化学家借助高度发展的计算机技术予以实现，并发展了一系列测谱技术。生物学家提出问题并广泛应用这些测谱技术。反过来又促进了测谱技术和计算机软硬件的发展。分子生物学中的重要问题只有用NMR技术才得以阐明。将NMR技术应用于分子生物学是一项跨学科的工程，它依赖于多学科的共同发展。 目前我国NMR的应用也十分广泛，400MHz以上的NMR谱仅已有20多台，已开始对生物大分子构象的研究。 2.2.3纳米磁性科技 纳米磁性材料是纳米材料的一个重要门类，除在物理、化学方面具有纳米材料的介观特性外，还有诸如量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道效应、表观磁性等，因而导致它的奇特应用。 由数个到数十个原子组成的原子族与块体材料相比具有较小的几何尺寸和较大的体——表比，使得原子平均配位数减少，体系对称性提高和能带变窄。因此对过渡金属原子簇人们预期：铁磁材料原子簇的每个原子的平均磁矩比其相应的块体材料值大；由块体材料不显磁性的元素组成的原子簇可望发现磁性。对于第一过渡金属(3d)如Fe、Co、Ni原子簇比体材有更强的磁性，而对其他3d元素如V和Cr小原子族预言有非零磁性但至今无证据；第二过渡金属(4d)原子簇磁性，近两年兴起的研究对象是铑原子簇，理论和实验显示都有磁性而体材则无磁性。 总之纳米磁性材料是指材料尺寸线度在纳米级的准零维超细微粉、一维超细纤维丝或二维超薄膜以及由它们组成的固态或液态磁性材料是近几年出现而处于试验研究的新型功能材料，巳显示了巨大的应用潜力，是应用磁学领域研究开发的一个热点，就其结构成分而论仍有金属和铁氧体两大类，从高技术特征上看以金属纳米磁性材料最为活跃。纳米磁性材料以低Hc软磁，高Hc永磁和综合应用二者之磁记录磁存储、高磁能积永磁材料最具有特征性。在成分上以磁性基本元素Fe、Co、Ni和众多性质与作用很不相同的非磁性元素及其化合物之间的巧妙组合，采用新的工艺技术制备出优异磁性与综合技术特征的新型材料来。从而获得更新的应用。例如IBM公司采用Co-Cr巨磁电阻(GMR)纳米薄膜制成PC机2.5英寸(6.35cm)磁盘可存储10年报纸(共116800版)的所有文字信息。其容量是同样大小磁盘的500倍，比光存储媒体高出10～100倍。这一进步的关键在于读出磁头的改进。MR磁头的最大极限记录密度是每平方英寸3G。GMR磁头会突破上述极限但技术上的许多难题尚待解决。然而一种叫做隧道结膜的TMR磁头已横空出世，它的灵敏度比MR磁头高出10倍，比GMR高出数倍，可能比GMR先实用化。第三代稀土永磁材料的(BH)max，值已接近理论极限。第四代稀土永磁不是SmFeN而很可能是纳米稀土Fe/a—Fe双相复合永磁材料，其(BH)max最大理论值为1090kJ/m3(137MGOe)，称作“兆焦”磁体。 1997年初美国、西班牙科学家发现可能为未来量子计算机实施奠定基础的新型分子磁体，它只有一个分子大小，是一种锰、氧、碳和氢的化合物——一种晶态物质。该物质的集团结构核心是由12个锰原子和12个氧原子组成，外面包着一层据称在普通醋里就能找到的化合物。利用这种分子磁体，可能在大头针顶部大小的面积上存储数百吉(千兆)字节数据。如果把1000兆字节的文本文件按标准格式打印出来会有62500页。这种分子磁体还有一种称为“量子滞后”的物理特性，即同时具有多种磁状态，故可能制造同时存储多位数据的微型器件，这正好符合量子计算方式的原理：单个原子在许多不同量子态之间转换来进行计算操作，而现在电子计算方式只是微型电路在“开”与“断”(0和1间)两个状态之间转换。量子计算机是基于量子多值“开关”原理工作的，故其运算速度将比当今最快的电子计算机要快上百万倍。 3高新磁性科技的近期发展 磁性产品种类繁多，用途甚广，在现代装备普遍电子化和高新技术产业蓬勃兴起的大潮中起着重要作用。最大磁能积超过400kJ/m3的稀土永磁进入了批量生产，功耗大幅度降低，已用于1MHz以上的工作频率的功率铁氧体已成功地开发出来，使开关电源尺寸大大减小，以“节能”著称的非晶磁性合金巳投入大量生产，稀土——铁系超磁致伸缩材科开发成功，将对精密机械和声纳、智能技术的发展作出重要贡献。新出现的纳米结晶、薄膜与超薄膜技术、微磁结构技术等正在成为开发高新磁性材料、提高传统材料性能、实现磁性器件高性能微型化的重要手段。 为适应电子整机与系统小型轻量化及降低成本的要求，磁性器件与SMT片式化为适应电子整机与系统小型化轻量化及降低成本的要求，得到迅速发展，迭层无绕组片式电感，SMT和片式变压器，DC-DC变换器、积层片式滤波器、移动通信用SMT隔离器、环行器、计算机磁盘用薄膜磁头等产品巳形成系列，YIG单晶器件集成小型化宽频带产品增多，使用YIG膜的静磁滤波器、延迟线在俄罗斯已获得实际应用并开发出系列产品。 综合起来是： a.由于射频铁氧体材料及器件的出现和广泛应用，使磁性材料及器件可以在整个无线电频段范围使用，并在高频端特别是毫米波、光波频段扩展； b.向小型、轻量、集成、平面化、薄膜化、部件组件化多种功能方向发展，并与MMIC兼容; c.在向宽频带、低损耗、宽工作温度、大功率、高可靠方向发展过程中，各种特殊功能磁性元器件涌现了出来； d．为适应并满足现代电子信息技术综合化、全球化的发展和需要，高新磁性元器件大量向民用方面转移，也是一个值得重视的趋势。 从以上的论述中不难看出，磁性产品在现代信息电子技术中占有的重要地位确定无疑。由于磁性产品实属高新技术领域，其应用范围十分广泛，早已越出了初期那种仅为电感元件而进入了微电子、光电子、微波电子、通信及计算机等高新技术重点应用军事领域，起着其他元器件不可替代的作用；大力发展我国高新磁性元器件技术是实现国民经济战略目标的需要，刻不容缓，势在必行。 3.1新型磁性材料 磁性材料的发展巳由无机到有机，固态到液态，宏观到介观，电子磁有序到核磁有序强磁材料，单一型到复合型，并且显现出优异的磁性能和综合特性，在其应用上，具有高技术的特征。 从高性能看就是四“高”、四“巨”、一“庞”、一“隧” 四“高”：μi>105的高初始磁导率材料， Hc>7.6MA/m的高矫顽力材料， (BH)max>400kJ/m3的高磁能积材料， Ms达到2.9T的高饱和磁化强度材料； 四“巨”：△R/R>50%的巨磁电阻效应材料， △z/z>50％的巨磁阻抗效应材料， θk达2°的巨磁光克尔旋转特性材料， λs>1000PPM的巨磁致伸缩效应材料； 一“庞”：△R/R>50％的庞磁电阻效应材料； 一“隧”：隧道结效应巨磁阻材料。 可见，前景光明的全新磁性材料正在出现，那就是： 中间构造磁性材料微观原子与宏观之间存在着一种中间构造级(mesoleve)材料，具有特殊性能的介观磁性材料。 复合型功能材料——传统的磁性材料是具有单一功能的材料，若在其构造中引入多种功能因子而形成智能材料，例如通过人工晶格技术在薄膜磁体中引入自旋阀门层，从而获得对电子和声子所具有的阀门作用，如用复合元件那样的磁体是可能的。 交换机制磁体(exchange magnet)——软磁层与硬磁层双重构造使之产生新的交换力，其磁性能有可能超过传统磁体极限，可望获得960kJ/m3(120MGOe)以上的磁能积。 就其材料构成元素看，高新磁性材料巳经变成由磁性离子和作用可以完全不同的非磁性离子精心合成的复合物。磁性离子主要产生固有的磁性能，如自发磁化强度(MS)、居里温度(TC)、各向异性常数(K1)和磁致伸缩常数(λS)等。非磁性离子用来控制非晶、纳米晶或单晶系统的微观结构。现代高新技术磁性材料中使用的主要元素是： a. 过渡金属Fe，Co，Ni(Mn，Cr)是制作高μ、高TC和高MS材料的基本元素； b. 稀土金属Pr，Nd，Gd，Tb，Dy及其合金； c. 非磁性金属Ti，V，Cu，Ga，Al，Pd，Pt； d. 耐熔金属Zr，Nb，Mo； e. 类金属B，C，Si，Ge，N，P。 3.2崭新的磁信息技术 磁带、磁盘、磁头、磁泡存储器等磁记录磁存储元器件是计算机系统的重要组成部分；磁传感器是获取、传输、转换、处理信息不可缺少的一种关键器件。 自巨磁电阻(GMR)效应发现后的短短五、六年内不断开发出了一系列崭新的磁电子学器件，使计算机机外存储器的容量获得了突破性进展，并将家用电器、自动化技术和汽车工业中应用的传感器得以更新。例如IBM公司从1994年起利用GMR效应自旋阀(spin Valve，简称SV)结构制作出了硬盘驱动器(HDD)读出磁头，使HDD面密度达到每平方英寸10亿位(1Gb/in2)，至1996年使HDD的面密度已达到每平方英寸50亿位(5Gb/in2)。现在正向更深层次推进，实现40~100Gb/in2的基础研究工作已经开始。图4示出了近10年HDD面密度增长情况及技术发展趋势。 还有一种叫做巨磁阻抗效应的应用，使磁传感器更具特色。当向几毫米长、具有零或负磁致伸缩系数的钴基非晶态软磁合金细丝通以高频电流时，钴非晶丝的阻抗随外加磁场强度而发生巨大变化的现象，被称作巨磁阻抗效应(简称GMI)。 下面列举三例来说明之。 3.2.1 GMR磁头是HDD容量刷新记录的关键 GMR与AMR磁头在结构上并无多大差别，只是用GMR元件代替了AMR元件并克服了AMR磁头固有的巴克豪森噪声而提高了磁头的灵敏度和可靠性。目前低饱和磁场的GMR SV材料的ΔR/R为7％，因此铪GMR SV磁头的读出灵敏度较之AMR磁头提高3~5倍，成为计算机HDD存储容量达到1000亿字节的关键技术，图5是GMR SV膜的结构和工作原理。它是由反铁磁层（如FeMn等）、磁性钉扎层、非磁性间隔层和磁性自由层构成。当两个磁性层之间的磁化方向相反时呈现高阻抗；相同时为低阻抗，其关键是自由层的磁化方向。由于自由层受到外场作用改变磁化方向时是转动过程，克服了巴克豪森噪声，从而提高了磁头的信噪比。 当今迅速发展的计算机网络和多媒体存储，急需要的是超大容量（大于1000亿字节）可随机读写的HDD而不是光盘，因此随着新材料、新原理的出现，HDD的容量将不断刷新。便如隧道结巨磁电阻（tunnding magnetoresistance，简称TMR）效应，已引起世界各国重视，IBM和富士通公司已分别制成ΔR/R为22%和24%的TMR材料，为HDD今后的发展带来新的动力。 3.2.2 GMR随机存储器(RAM） 磁电阻随机存储器（MRAM）在70年代初就有报道，但由于AMR材料的ΔR/R值低难以制成MRAM。自GMR效应发现后，MRAM将成为现实。 图6、图7分别是SV MRAM结构和工作原理图。反铁磁层和钉扎层用作记录“1”和“0”。写入时，当字线电流（Iw）方向为正时（电流方向由里向外⊙），其电流大小使导线周围形成的园磁场超过反铁层的矫顽力时，称为记录“0”，反之为记录“1”。读出时，在字线中通以正、负极性的，能使自由层改变方向的读出电流（IS）。当读“0”时，自由层和钉扎层自旋之间由反平行到平行，磁电阻由大变小，读出信息（VS）为负；当读“1”时，磁电阻由小变大，VS为正。这个过程可以是不破坏的，在进行了亿次读出后，信号不会发生任何变化。 MRAM和半导体RAM相比其最大特点是非易失、抗辐射、长寿命、低成本，由于GMR材料的使用，每位尺寸的减小并不影响读出信号灵敏度，可以获得最大的存储密度，结构简单，制作工艺也得以简化（表1）。预计21世纪可以实现10Gb/in2的存储密度和0.5ns的存储速度。随着TMR研究的进展，MRAM将获得更好的性能。因此说，MRAM的采用将是计算机内存芯片的一场革命。特别是它的非易失、抗辐射性能，在军事应用中将发挥重大的作用。 3.2.3 GMR和GMI传感器 AMR传感器具有体积小、灵敏度高、阻抗低、抗恶劣环境、成本低等优点，可测量10-10~10-3T范围内的磁场，但由于AMR的ΔR/R值低。在弱磁场中仍受到限制。采用△R/R大的GMR和TMR材料作成的传感器则打破了这种限制。可更广泛地应用于家用电器、汽车工业和自动控制技术中，对其角度、转速、加速度、位移等物理量进行高灵敏、高精确度控制，且不受物体变化速度的影响，充分发挥其抗恶劣环境和长寿命的优点，故在各类运动传感器中颇具竞争力。例如采用GMR材料制作的录相机精密齿节传感器(FPM)，其灵敏度比AMR传感器提高6倍，可分辨15μm的磁齿节。GMR传感器可以改善汽车刹车抱死系统(ABS)，用于汽车无人驾驶、收费和卫星定位等系统中。 GMI传感器由于采用的是交流，探测的是磁通量而不是磁通量的变化，不用线圈、非接触、无磁滞，其灵敏度比GMR传感器磁场灵敏度高一个数量级，是唯一一种能同时作成高灵敏、微尺寸、快响应的传感器。因为采用交流可实现如调制和解调、滤波、振荡和共振等多样性功能，是AMR传感器作不到的。如作成的旋转编码器GMI磁头，磁头顶部与磁带(盘)表面间的距离为0.5mm(一般磁头是0.1mm)，使其制作工艺，装配得以简化。 3.3微型磁性元器件 为适应节能、环保、医学和移动通信、个人计算机(PC)、数字音响三大民用市场以及军事电子技术特别是信息战的需要正在向高频数字化、轻薄短小、小型化技术方向发展。 3.3.1 薄膜磁性元件 片式电感是一种和电阻等片式元件一样在电路基板上以端子结构进行表面组装的小型化元件—线圈，根据线圈形成法可分为绕线型和迭层型两种。如迭层片状电感器就有高频型、高Q值型和高损耗型等，微波—亚微波高频型片式电感，其感量在数μH至数十nH之间，其容许电流值设计为300mA；外形尺寸从3.2mm×1.6mm到2mm×1.25mm和1.6mm×0.8mm，目前已达到1mm×0.5mm，重要lmg。高损耗型电感器其外形尺寸为1.6mm×0.8mm，在100MHz下的阻抗达到1000Ω。日本I.Sasada等人用NiZn铁氧体作成的薄膜电感器体积只有0.2cm3，用于2MHz，输出功率为10W的降压变压器中，总效率已达到82％。K.Yama-guchi等日本人设计制作的微型变压器面积只有2.4×3.1mm2，在10MHz时效率为67％。 薄膜磁体 借助添加Dy(在基板温度560℃．Dy添加量3.0mol％条件下)的喷镀法成膜。其矫顽力Hc与未加Dy的磁体矫顽力提高了一倍。据此作成直径2.5mm，厚度0.5mm的Si钢片上形成40μm厚的薄膜磁体转子，形成了2相6级16kOe的矫顽力超小型步进电动机。 薄膜工艺技术 从工艺角度上看微型磁性元器件采用了一种全新的工艺设计，即从材料、工艺、布线等方面去综合考虑，实现磁心薄膜化、微型化和线圈平面化。采用磁性薄膜材料、工艺和LSIC，现代薄膜工艺技术制造单层膜、多层膜、人工晶格膜、厚膜和薄膜，从而实现了多种微型磁性元器件如迭层式薄膜电感、闭磁路平面线圈电感、薄膜变压器纺编型电感、变压器、环联磁心(Ring-counected Magnetic core，RCMC)平面电感，迭层式LC滤波器、陷波电路等已能批量生产并进入整机使用；薄膜电感之DC—DC变换器，开关频率5MHz，输出功率达到3瓦，器件厚度仅2mm，已用于笔记本计算机，便携式电话中。其中要解决的关键技术是损耗(铁损和铜损)和发热、磁通分布控制、感量的降低等。将半导体超微制造技术(ultramic Fabrication Techniques)用在磁材中，对亚微米、纳米尺寸精心地进行人工控制形成新的微磁结构如数十至数百纳米铁磁堆(mounds)及其规则阵列、纳米单畴磁柱或磁棒；用纳米刻蚀技术(Nanolithogrphy)刻蚀预先由溅射、分子束外延、激光烧蚀沉积到非磁性(或半导体、超导体)衬底上的磁膜，形成微米或亚微米图形，对研究磁量子现象和制作磁量子器件(如自旋开关器件、自旋相关磁散射器件、磁隧道器件)薄膜记录磁头、磁阻磁头是一种先进方法。65Gbit/in2量子磁盘采用的是电子束纳米刻蚀反应离子蚀刻(RIE)和化学机械抛光技术制造。垂直记录磁盘是直径50nm的镍柱均匀地埋到200nm厚的siOz层中，柱阵有100nm周期，正好与65Gbit/in2面记录密度相对应。 用薄膜技术制作的电感器和变压器具有较大的直流电阻导致较大的损耗，为此厚膜技术得到了应用。Peter Barnwell等人以0.635mm厚的氧化铝作为基体，利用厚膜工艺在其上、下表面各印制了初、次级绕组，以phillips公司3F3铁氧体作磁心材料。由于磁路闭合而效率高，在2MHz时，输出功率75W，效率达到85%。为进一步增加膜厚，可采用导体多层分布以加大电流而减小损耗。 还可利用现成的刚性或柔性印刷电路板(PCB)来制作磁性元件的绕组，磁心可选用低造型成品或经加工磁块获得，例如美国Multisource Technology公司已推出PCB型变压器，使用频率50～1000kHz，效率达98%，功率75W到2000W，整体高度小至7mm。PCB也可实现绕组的多层分布，因而特适用于小电流高电压场合。PCB电感器和螺形线圈常用于400MHz以上电路中，若频率大于800MHz，其电感小于56nH。 3.3.2集成化微波铁氧体器件 国外已开发出适合于微波/毫米波混合集成电路应用的多种多晶和单晶集成化器件：小型化表面安装单片式、“落入式”(Drop-in)或“插入式”(plug-in)薄膜集中元件环行器、隔离器、YIG滤波器、振荡器。由于“没有接头”，靠引线或中心导体延伸线与其他电路连接，具有尺寸小，重量轻，磁屏蔽，可直接贴装到带线或微带电路上等，故在雷达、导弹，收发设备、导航、数据通信、电子对抗、测量仪器中得到大量应用。国外SMT器件巳覆盖0.4～23GHz频率范围，日本村田制作所研制出800MHz隔离器，隔离15dB，插损0.7dB，在-25~+75℃温度范围，额定正向2.5W，反向0.5W，尺寸仅6.8×6.9×4(mm)，重量0.75克。目前正在设法将厚度降至1mm，损耗达到0.2dB，以便更多地用于移动通信手机中去。一个16GHz小型化插入式YIG振荡器/子系统，尺寸25×25×16(mm)，重30克。 3.4精密制导中应用的毫米波铁氧体器件 随着毫米波系统的问世，环行器、隔离器、开关、调制器、移相器等毫米波铁氧体器件也应运而生，成为系统电子线路中必不可少的组成部分。目前市场上已推出26.5～170GHz的环行器和隔离器产品，37~150GHz的相移调制器，26~118GHz的移相器，26.5~75GHz的YIG调谐滤波器、振荡器和40GHz以上的铁氧体开关。根据市场需求，当前发展的重点还是8mm和4mm频段。 为研制出优质毫米波铁氧体器件，最主要的要解决以下三大难题： a.铁氧体旋磁材料随频率升高其损耗、驻波系统增大、工作带宽减小的问题； b.共振式器件需要很高的磁化场； c.制造工艺公差要求严格。 为此，已开发出多种新的设计制造技术如鳍线式集成电路、准光技术、超尺寸波导、高次模工作，无外场器件技术等。 在毫米波铁氧体技术中最具实际意义的是采用具有高内场的六角晶系铁氧体材料来开发共振式隔离器和磁调滤波器，俄罗斯人有其独到之处。 在六角晶系铁氧体共振式隔离器中，使用了复合六角晶系铁氧体元件，在低损耗隔离器中采用了磁动力谐振子和单晶六角晶系铁氧体谐振子，用多晶六角铁氧体制成的隔离器的性能如表2所示。 使用单晶六角铁氧体元件，可使隔离器插损最低(不大于0.3～0.5dB)。固定磁化场H0，通过改变六角铁氧体元件取向，可保证在10～40％范围内调谐到指定频率。例如使用各向异性场HA=1.4MA/m单轴单晶小球作成的隔离器中，H0=0.4MA/m且小球六角轴取向偏离H0场方向0～60°时，共振频率在62~55GHz范围内，带宽≮150GHz，而反向共振损耗为40~22dB，使用其他六角晶系铁氧体时其结果均低于此值。 六角晶系铁氧体滤波器中的带通滤波器，通常使用六角晶系单晶铁氧体，而在带阻滤波器中，六角单晶小球置于匹配波导中，而波导在统一规格磁系统的气隙中，六角晶轴平行于磁场H0取向。表3列出试制的带通磁调滤波器的性能。 总之，不加外磁场使器件体积和重量大为减小并适合与任何传输线连接，这是毫米波磁性器件开发的重点，但在长波频段仍需加外磁体，而在短波部分开发器件的困难在于六角晶系铁氧体的共振敏感值小。 3.5电子战中应用的单晶器件技术 YIG调谐器件典型产品有YIG调谐滤波器(YTF)，YIG调谐振荡器(YTO)，YTF/YTO统调组件，YIG调谐谐波发生器(YTH)、YIG鉴频器等，频率范围占据了整个微波频段至毫米波频段，并早已广泛应用于军事电子战中的电子侦察、干扰和抗干扰设备中，成为其中的关键部件之一。这是由YIG器件具有的显著特点决定的： a.YIG谐振子具有高无载Q值(在微波频段Qu=1000～5000)，且随频率升高而增加(VCO则是随频率升高Qu会下降)。所以YTF具有很高的选择性，很高的频谱纯度，这是压控振荡器(VCO)所不具备的，使用YTO的频率合成器的突出特点是具有很高的噪声分布曲线，比频移键控(FSK)调制要求的噪声低46dB。 b.YIG器件的另一个优点是有宽的调谐工作带宽。除在低频端的限幅效应外，则在高频端不受限制，故可研制出多倍频程调谐器件，目前在国内外已有2.0～26.5GHz。3～40GHz的多倍频程YTF和2～14GHz、5～20GHz和6～26GHz的YTO等产品。 现代通信系统和军用微波接收机极需要调谐带宽的信号源和频率合成器。现有的介质谐振子振荡器(DRO)和VCO调谐带宽远小于YTO。表4列出了X波段振荡器相位噪声和带宽比较。 c.调谐线性度好。YIG谐振子的谐振频率与外加磁场呈线性关系，其非线性仅来源于磁场磁铁和负载的频率牵引。只要精心设计磁路和采取匹配措施可控制到最小，倍频程器件已达到小于±0.05%线性度，这有利于在测频和锁相系统中使用。 d.温度稳定性好。只要将YIG谐振子定向到温度稳定轴上，谐振频率将与温度无关。Avantek公司的YTO可靠性很高，其MTB达到73900h，并耐冲击、振动等恶劣环境。 近几年来YIG单晶器件朝着低相位噪声、多倍频程调谐带宽、高输出功率、高可靠性、集成薄膜化、组件化等方向发展。例如： MITEQ、Verticom、Microsource等公司为点对点、点对多点高数据速率多状态调制通信系统，研制生产出多种宽频带低相位噪声频率合成器产品系列，其共同特点是用YTO提供优异的相位噪声特性（表5为YTS系列合成器性能指标）。 美国Micro Lambda、W·J、Ommniyig、Microsource、Ferretec.法国菲力浦和瑞典Sivers等YIG产品公司，已向VSAT地面站、卫星通信、无线局域网（WLAN）和多点视频分配系统(MVDS)等提供了宽带、窄带等不同用途的低噪声信号源，如Micro Lambda公司的MLPE系锁相环(PLL)信号源(PLLO)，Microsource公司的MTS-500系PLO等产品系列，其核心部分是低噪声永磁体偏磁场调谐的YIG调谐振荡器(PMO)，PMO使用低噪声双极或场效应晶体管作振荡源，用永磁体提供调谐磁场，从而保证锁相信号源具有甚低的相位噪声性能(-120～145dBc/Hz)，大大降低了成本，缩小了器件体积，(典型PMO尺寸为0.5立方英寸）；采用特殊的应力消除组装技术和测试工艺，满足了特殊要求。 众所周知，YIG器件早已在军用高档仪器——扫频仪，矢量、标量网络分析仪和频谱分析仪中作扫频主振器。淘汰了滤波以提高仪器的动态范围，扩大应用。然而在通信无线电系统中使用的测量仪器，大多数仍采用YTO作本振、YTF作预选器的扫描宽带无线电信号源，如Tektronix公司为北美数字蜂窝(NADC)、个人数字蜂窝(PDC)和PHS系统开发的R3465型调频频谱分析仪就是用YTF预选器滤除1.7～8.0GHz中不需要的假信号，高速合成本振可扫频9kHz～8GHz宽带无线电信号的。 3.6值得关注的新型武器——电磁炮，未来发射卫星的工具 美国自1978年开始制造战术电磁炮，现在已能在大气层外中段摧毁各种洲际弹道火箭的弹头，能够在飞行轨迹后段摧毁潜水艇弹道火箭的弹头，还能摧毁空间各种军用考察站以及具有各种新型固定推进剂的洲际弹道火箭等。 正在研制的电磁炮有两种形式：一种是有轨电磁炮—轨道炮，其结构类似于直流电动机，外形为长筒状。发射炮弹时，巨大电流先通过上轨定向可熔铁心，再沿下轨定向返回。磁力线运动时，磁场和铁心中的感应电流相互作用就形成了加速弹头的补充推力。另一种叫改进型电磁炮——线圈炮，它只是在普通火炮的炮口处安装一个专用电磁喷口。推进剂先给弹头一个推力，弹头进入线圈强磁场后又得到一个补充的加速度。它的原理是：当强大的电流通过若干线圈绕组时，产生连续的、相互作用的磁场，发射体通过这些磁场得到加速，连续若干级线圈紧紧相连，它们的电磁场便把正在通过的发射体从一级线圈送到下一线圈，每经过一级都得到加速，连锁的磁场顺序推动着发射体前进。 这种新型武器——电磁炮能以每秒8.6km的速度发射，炮弹可以轻而易举地击穿6.5毫米的铝制靶。 电磁炮还可以发射卫星。现在发射卫星都是用火箭，据专家估计，这种方法有2～4％的失败率，发射一次需要数月以至一年，把每公斤负载射入轨道需要几千至数万美元的花费，通常火箭越小，每公斤的发射成本也就越高。若用电磁感应的电磁炮来发射卫星，由于没有爆炸力，比火箭安全得多，能重复使用，可发射卫星几千次，必要时10分钟就可发射一次，成本只有火箭发射的1％，发射每公斤负载只需几百美元。 4发展我国高新磁性科技的建议 从上述论述中可以看到，磁性科技在现代科技领域里占有重要地位，在许多应用领域里也是不可缺少的成员，其产品功能是其他产品不可替代的。在新世纪特别是“十五”计划里，亦应加速磁性科技的发展，为此提出如下建议： 4.1重视科技前沿性研究，打好基础 磁性科技的发展是同整个科技发展紧密联系的。尤其在现代科技飞跃发展的大环境下，前沿性课题层出不穷，在知识经济社会即将来临时，重视前沿性研究，为磁性科技应用打下良好的理论基础，显得十分重要。回顾总结我国磁性材料及器件技术的发展历史，重视理论前沿研究工作不够，未来的社会是要靠科技的全面推进才能立足的。所以理论基础、应用技术、产业化发展是三个不可分割的层次，只有互相有机结合，相互促进才能立于不败之地。 4.2发展重点领域 在“十五”期间我国高新磁性科技的投资重点应放在纳米磁性、毫米波铁氧体技术、微型化器件、微磁结构及其小型化一体化组件、集成化微波单晶器件，多晶大功率、宽频带器件等方面，而应以开发高新磁性材料作为可靠的基础，特别是应把纳米、薄膜磁性材抖，毫米波六角晶系铁氧体材料放在首位。 4.3重视智力培养，加强人才队伍建设 人是世间最可宝贵的东西，知识是要靠人来创造和掌握的，据权威人士论证，隐含知识完全是由人脑决定的。固此一个有远见的领导者或企业家要不惜成本去网罗高级人才、培养人才。不然是无法适应知识经济社会和信息战争发展的。 5结语 高新磁性科技是整个现代科技的一部分，发展高新磁性科技是适应未来高度信息化需要的重要组成部分。本文在概述了磁性科技的几个重要前沿态势之后，针对信息化的特点重点阐述了磁性科技在新型磁性材料、微型磁性器件、毫米波铁氧体器件、单晶器件和一种值得关注的新式武器——电磁炮的新近发展，最后提出了发展我国高新磁性科技的建议。 参考文献 [1]余声明.磁性材料及器件，1998（4），1. 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